遥操作水下工程机器人触觉临场感系统设计与研究

摘要

遥操作水下工程机器人系统是指在操作者操作下可完成水下工程作业任务的一种远距离操作系统，它能够帮助操作者在危险或极端环境下工作。但是，水下作业环境恶劣，如工程机器人作业时搅动泥沙造成河水混浊不清，摄像机获取的图像信息并不能准确地反映工程机器人与目标物体的位置和作用关系，且大量的图像信息传递还存在网络时延，严重影响了系统的工作效率和可操作性。在遥操作水下工程机器人系统中采用触觉临场感技术可有效解决水下恶劣视觉环境和时延对系统的影响，有助于操作者保持一定的视觉与力觉临场感，提高遥操作水下作业效率。
　　遥操作水下工程机器人触觉临场感系统由触觉可视化系统和力反馈系统两部分组成。基于虚拟现实的触觉可视化系统是利用建模技术建立的临场感系统，建模方法的选择尤为重要，合适的建模方法不仅可以提高模型的逼真程度，而且可以降低建模难度。力反馈系统是通过力反馈手柄进行力觉提示的，设计合适的力反馈控制类型可获得理想的力觉临场感。
　　为了提高在水下恶劣环境下作业的遥操作水下工程机器人的触觉临场感系统的沉浸感、临场感和实时性，本文对触觉可视化系统的建模技术和力反馈系统的力觉临场感技术进行研究，主要内容如下：
　　1.为了提高触觉可视化系统图像的逼真程度和降低其开发难度，采用SolidWorks建模与 OpenGL函数建模的混合建模方法建立了虚拟工程机器人几何模型，利用旋转矩阵建立了目标物体模型，利用 OpenGL的 NURBS函数建立了水下地形模型。
　　2.为了控制虚拟工程机器人运动，采用 D-H描述方法推导出了虚拟工程机器人的运动学方程，并建立了各液压缸位移变化量与相应关节角之间的数学转换模型。
　　3.为了实现力觉临场感，提出了基于直接力反馈型的控制方法，搭建了力反馈系统硬件平台，在基于 Windows平台的VC++环境下利用DirectX实现了力反馈手柄和工控机之间的通信。
　　实验结果表明：所采用的建模方法不仅能提高虚拟工程机器人、目标物体和水下地形模型的逼真度，且可降低建模难度，缩短开发周期；建立的力反馈系统能实时、有效地进行力觉提示。研究结果可为开发水下恶劣环境下作业的遥操作工程机器人触觉临场感系统提供技术指导。

目录

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 国内外研究现状分析

1.4 本文的主要研究内容

第二章 遥操作水下工程机器人触觉临场感系统设计

2.1 遥操作水下工程机器人触觉临场感系统方案设计

2.2 工程机器人

2.3 液压系统

2.4 触觉可视化系统

2.5 力反馈系统

2.6 本章小结

第三章 工程机器人的运动学分析

3.1 工程机器人的运动学方程

3.2 液压缸位移变化量与相应关节角之间的关系

3.3 本章小结

第四章 触觉可视化系统设计

4.1 触觉可视化仿真平台

4.2 虚拟工程机器人的建模

4.3 水下地形建模

4.4 目标物体建模

4.5 通信模块

4.6 本章小结

第五章 力反馈系统设计

5.1 双向伺服控制理论

5.2 力反馈系统的类型

5.3 力反馈系统的组成

5.4 力反馈系统软件部分设计

5.5 本章小结

第六章 TURC触觉临场感系统的实验研究

6.1 TURC触觉临场感系统结构

6.2 实验研究

6.3 本章小结

总结与展望

一 总结

二 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢